從豬籠草找靈感—新型超光滑自潔表面


從豬籠草找靈感—新型超光滑自潔表面

國立清華大學材料科學與工程學系 陳柏宇教授

 

近年來科學家致力於超疏水、自我清潔、抗沾黏表面之研究,其中以荷葉的出淤泥而不染最為著名,歸功於其含蠟表面特殊的奈微米結構,形成超疏水性的界面 [1,2]。一系列的仿荷葉的超疏水材料也相繼開發[2],然這些材料有所限制,如抗油及其他複雜液體能力不足、在高壓下無法運作、易受損、價格高、製作困難等。美國哈佛大學Joanna Aizenberg的研究團隊從豬籠草科的食蟲植物表面獲取靈感,研發出一種新型超光滑自潔表面,稱之為「SLIPS: Slippery Liquid-infused Porous Surfaces(光滑注液多孔表面)」,成果發表於Nature期刊[3]。豬籠草捕食器具溝槽狀結構(圖(a)),表面布滿奈米顆粒,可將一層薄薄的水固定在適當的位置,形成完美而平滑的水膜,昆蟲的足部含油,踏上此表面立即滑落至籠中,而被捕食消化[4]。研究團隊利用此策略,開發出多孔性具紋理的鐵氟龍基層,再注入潤滑液,在表面形成只有數奈米厚的平滑液體層(圖(b))。研究發現此材料表面,只需非常小的角度(<5˚),無論是水、油、有機溶液、血液或昆蟲都會快速滑落,能耐高壓(680 atm)且具自我修復之能力。此超光滑表面可應用於液體傳輸、自我清潔、抗沾黏表面、輸血管道、生醫材料、微流體機電系統等。從大自然汲取靈感,將有助於開發智慧型、多功能、高效率且環保之仿生材料,以解決各種問題。

 

 

 

(a)

 

(b)

圖、(a)豬籠草捕食器外觀結構;(b)新型超光滑表面(SLIPS)製備示意圖 (Image courtesy of Peter Allen and James C. Weaver)。

 

參考文獻

1. Barthlott W, Neinhuis C, The purity of sacred lotus or escape from contamination in biological surfaces. Planta 202, 1-8 (1997).
2. Koch K, Bhushan B, Barthlott W, Multifunctional surface structures of plants: An inspiration for biomimetics. Prog. Mater. Sci. 54, 137-178 (2009).
3. Wong TS, Kang SG, Tang SKY, Smythe EJ, Hatton BD, Grinthal A, Aizenberg J, Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature 477, 443-447 (2011).
4. Bohn HF, Federle W, Insect aquaplaning: Nepenthes pitcher plants capture prey with the peristomem a fully wettable water-lubricated anisotropic surface. Proc. Natl, Acad, Sci, USA 101, 14138-14143 (2004).